畢業(yè)設(shè)計(jì)基于多普勒效應(yīng)的速度測(cè)量?jī)x

1、III基于多普勒效應(yīng)的速度測(cè)量?jī)x摘 要流場(chǎng)中有各種物理量，比如壓力，密度，速度，其中以速度測(cè)量最為復(fù)雜。傳統(tǒng)的測(cè)量方法，如熱線熱膜流速計(jì)、壓電探頭、機(jī)械流速儀、電磁流速計(jì)等是接觸式的，必須把探頭插入流場(chǎng)，對(duì)流場(chǎng)有較大干擾，影響測(cè)量的真實(shí)性和可靠性，并且對(duì)于一些特殊的流場(chǎng)如高溫?zé)煔狻娙蓟鹧?、腐蝕性流體等也不便于進(jìn)行接觸式測(cè)量。而激光多普勒測(cè)速技術(shù)(LDV，Laser Doppler Velocimetry)是一種非接觸式測(cè)量方法。它以光的多普勒效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，利用流體中的散射粒子對(duì)入射激光進(jìn)行散射，并通過(guò)光電探測(cè)器探測(cè)散射光的頻率變化，這種頻率變化通常稱為頻移，根據(jù)其中包含的速度信息(粒子散射

2、光的頻移與粒子速度呈線性關(guān)系)得到流體的運(yùn)動(dòng)速度。其動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、空間分辨率高、測(cè)量范圍大，在測(cè)量精度以及實(shí)時(shí)性上都具有突出的優(yōu)點(diǎn)。本文分析比較了現(xiàn)有的激光多普勒測(cè)速技術(shù)。針對(duì)已有激光多普勒測(cè)速儀適用面窄，信號(hào)處理能力有限，穩(wěn)定性和測(cè)量精度較差等缺點(diǎn)，提出了一種基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的激光多普勒測(cè)速儀設(shè)計(jì)方案。本文詳細(xì)介紹了多普勒信號(hào)的處理方法，給出了多普勒信號(hào)采集卡的硬件實(shí)現(xiàn)方案。第一章敘述了研究該課題的目的和意義。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有激光多普勒測(cè)速技術(shù)的分析比較，證明了研制數(shù)字信號(hào)處理式激光多普勒測(cè)速儀的可行性和必要性。第二章分析了激光多普勒測(cè)速儀的工作原理，對(duì)差動(dòng)LDV模型進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，推導(dǎo)出激光多

3、普勒信號(hào)的數(shù)學(xué)模型。在參考現(xiàn)有LDV光路系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)傳統(tǒng)的差動(dòng)式LDV模型進(jìn)行了改造，給出了一種新的光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案:一維差動(dòng)偏振式光路系統(tǒng)。第三章詳細(xì)介紹了數(shù)字信號(hào)處理式激光多普勒測(cè)速儀的設(shè)計(jì)方案。其中包括基于TMS320C6713的多普勒信號(hào)采集卡硬件電路(前向通道、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分、主機(jī)通信部分)和軟件設(shè)計(jì)(外擴(kuò)EEPROM的在線編程、數(shù)據(jù)采集卡boot程序、數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序)。第四章給出了多普勒信號(hào)處理的具體方法。主要是以FFT變換為基礎(chǔ)的周期圖法和峰值逼近法。第五章對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)，給出了多普勒信號(hào)處理的改進(jìn)措施。關(guān)鍵詞:多普勒效應(yīng),激光多普勒測(cè)速(LDV),數(shù)字信號(hào)處理,TMS320

4、C6713,FFT,峰值逼近The Speed Measuring Instrument Based on Doppler EffectABSTRACTThere are various physical quantities in the flow field, such as pressure, density, velocity, of which the most complex velocity measurement. Traditional measurement methods, such as HWFA, piezoelectric sensor, mechanical fl

5、ow meter, electromagnetic flow meter, is the contact, and must probe into the flow field, flow field have a greater interference of the true measurement And reliability, and for some special fields such as high temperature gas flow, burner flame, corrosive fluids are not convenient for contact measu

6、rement. The laser Doppler velocimetry (LDV, Laser Doppler Velocimetry) is a non-contact measurement method. It is the Doppler effect of light based on the theory, the use of scattering particles in the fluid in the scattering of incident laser and scattered light through the photoelectric detector o

7、f the frequency change, this frequency is often referred to as frequency shift, according to which contains Speed information (light scattering frequency shift and a linear relationship between particle velocity) are the fluid velocity. The fast dynamic response, high spatial resolution and wide mea

8、surement range, measurement accuracy and in real time, both have outstanding advantages.This article analyzes and compares existing variety of LDV technology. According to existing LDVs deficiencies such as limited signals processing ability,poor adaptability and low precision，a new design scheme of

9、 the LDV based on digital signais processing is inctroduced in the artiele. The first chapter describes the study purpose and significance of the subject. By laser Doppler velocimetry of the existing analysis and comparison, show the development of digital signal processing laser Doppler velocimetry

10、 of the feasibility and necessity. Chapter II of the laser Doppler velocimetry of the working principle of differential LDV model is introduced to derive the mathematical model of laser Doppler signal. In reference to the existing LDV optical system based on the traditional differential LDV model wa

11、s modified, given a new design of optical systems: one-dimensional differential polarization type optical system. Chapters III detail the digital signal processing laser Doppler velocimetry of the design. Including the TMS320C6713-based Doppler signal acquisition card hardware circuit (prior to the

12、passage, data storage part of the host communication part) and software design (EEPROM foreign expansion of online programming, data acquisition card boot process, data acquisition card drivers.)Chapter IV gives the specific method of Doppler signal processing, mainly based on FFT, period gram-based

13、 method and the peak approximation.Chapter V summarizes the full text, given the Doppler signal processing improvement.Keywords: Doppler Effect, Laser Doppler velocimetry (LDV) ,digital signal processing, TMS320C6713,FFT,peak approximation朗讀顯示對(duì)應(yīng)的拉丁字符的拼音 字典V目 錄摘 要IABSTRACTII1 緒論11.1 本課題的研究意義11.2

14、 現(xiàn)有LDV的原理和性能比較21.3 本文的主要內(nèi)容42 激光多普勒測(cè)速儀測(cè)量原理52.1 LDV測(cè)速原理的實(shí)現(xiàn)52.1.1 光的多普勒效應(yīng)52.1.2 差動(dòng)式LDV72.2 多普勒信號(hào)的條紋模型82.3 差動(dòng)LDV技術(shù)的改進(jìn)102.3.1 方向的鑒別102.3.2 消除基座信號(hào)112.4 多普勒信號(hào)的特點(diǎn)142.5 課題所采用的光路系統(tǒng)153 基于DSP芯片的激光多普勒測(cè)速儀設(shè)計(jì)183.1 整體硬件結(jié)構(gòu)框圖183.2 中央處理單元193.3 前向通道213.3.1 前向通道簡(jiǎn)介213.3.2 前置放大器223.3.3 低通濾波器243.3.4 AD轉(zhuǎn)換器253.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分293.4.1

15、 TMS320C6713EMIF簡(jiǎn)介293.4.2 FLASH接口313.4.3 SDRAM接口323.5 主機(jī)通信部分333.5.1 TMS320C6713HPI簡(jiǎn)介333.5.2 PCI總線簡(jiǎn)介353.5.3 PCI9052簡(jiǎn)介373.5.4 硬件連接393.6 FLASH在線編程413.6.1 FLASH的在線編程方案413.6.2 COFF文件轉(zhuǎn)換工具423.6.3 FLASH在線編程的實(shí)現(xiàn)433.7 TMS320C6713的boot程序443.8 信號(hào)采集卡驅(qū)動(dòng)程序463.8.1 VxD簡(jiǎn)介463.8.2 WinDiver簡(jiǎn)介483.8.3 PCI總線驅(qū)動(dòng)程序504 多普勒信號(hào)的處理

16、524.1 多普勒信號(hào)處理524.1.1 信號(hào)處理方法的選擇524.1.2 周期圖法及其改進(jìn)措施524.1.3 周期圖法的實(shí)現(xiàn)544.2 多普勒信號(hào)頻率的逼近595 總結(jié)與展望61致 謝63參 考 文 獻(xiàn)6363基于多普勒效應(yīng)的速度測(cè)量?jī)x1 緒論1.1 本課題的研究意義流場(chǎng)測(cè)試是測(cè)量流場(chǎng)中每一點(diǎn)的物理量及其隨時(shí)間的變化。這些物理量有壓力、密度、溫度、速度等，其中以流場(chǎng)的速度測(cè)量最為復(fù)雜，它對(duì)測(cè)量?jī)x器提出了如下高要求:放入流場(chǎng)中的檢測(cè)元件必須足夠小，它對(duì)流場(chǎng)只引起極小的可容許的擾動(dòng);在元件所占據(jù)的區(qū)域中，瞬時(shí)速度的分布應(yīng)是均勻的，這意味著檢測(cè)元件應(yīng)該比湍流中最小的渦還要小些;儀器的慣性必須低，這

17、樣一來(lái)，即便對(duì)于最迅速的脈動(dòng)而言，它也可做出瞬時(shí)的響應(yīng);由于脈動(dòng)量往往只有主流的百分之幾，因此儀器必須充分靈敏，以便可以反應(yīng)脈動(dòng)量;儀器必須是穩(wěn)定的，至少在一個(gè)實(shí)驗(yàn)的運(yùn)轉(zhuǎn)期內(nèi)它的校準(zhǔn)參數(shù)不應(yīng)發(fā)生明顯的變化。傳統(tǒng)的測(cè)量方法，如熱線熱膜流速計(jì)、畢托管、壓電探頭、機(jī)械流速儀、電磁流速計(jì)等自發(fā)明以來(lái)為流動(dòng)領(lǐng)域的研究和發(fā)展起了極大的促進(jìn)作用，但是這些測(cè)量方法是接觸式的，必須把探頭插入流場(chǎng)，對(duì)流場(chǎng)有較大干擾，影響測(cè)量的真實(shí)性和可靠性，并且對(duì)于一些特殊的流場(chǎng)如高溫?zé)煔?、噴燃火焰、腐蝕性流體等也不便于進(jìn)行接觸式測(cè)量。激光多普勒測(cè)速技術(shù)(LDV，Laser Doppler Velocimetry)是一種非接觸式

18、測(cè)量方法，它利用流體中或固體表面的散射粒子對(duì)入射激光進(jìn)行散射，并通過(guò)光電探測(cè)器探測(cè)此散射光的頻移，根據(jù)其中所包含的速度信息(粒子散射光的頻移與粒子速度呈簡(jiǎn)單線性關(guān)系)得到流體或固體表面的運(yùn)動(dòng)速度。它可通過(guò)控制光束精確地控制被測(cè)空間大小，使光束在被測(cè)點(diǎn)聚集成為很小的測(cè)量區(qū)域(僅為千分之幾立方毫米):獲得分辨率為20100微米的極高的測(cè)量精度;而且從原理上講，LDV響應(yīng)沒有滯后，能跟得上湍流的快速脈動(dòng);它還可以實(shí)現(xiàn)一維、二維、三維的速度測(cè)量;從原理上看LDV輸出信號(hào)的頻率和速度成線性關(guān)系，它能覆蓋從每秒幾毫米到超音速很寬的流速范圍，且測(cè)量不受壓力、溫度、密度、粘度等流場(chǎng)參數(shù)的影響.總的來(lái)說(shuō)，LDV

19、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、空間分辨率高、測(cè)量范圍大，在測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性上都具有突出優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在LDV已成為科學(xué)研究和實(shí)際工程中測(cè)量固體表面運(yùn)動(dòng)速度和復(fù)雜流場(chǎng)流動(dòng)速度的一種有力手段，甚至己經(jīng)從最初的流速測(cè)量領(lǐng)域擴(kuò)展到風(fēng)洞速度場(chǎng)測(cè)量、邊界層流測(cè)量、二相流測(cè)量，以及噴氣過(guò)程和燃燒過(guò)程的研究。自從1964年第一臺(tái)激光多普勒測(cè)速儀問(wèn)世以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)多普勒信號(hào)的特殊性進(jìn)行了大量研究，研制出了各種用于激光多普勒測(cè)速的專門儀器，但它們幾乎全部采用模擬器件實(shí)現(xiàn)。近十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是數(shù)字信號(hào)處芯片(DSPs)的出現(xiàn)，人們開始考慮采用數(shù)字信號(hào)處理的方法對(duì)LDV信號(hào)進(jìn)行分析:首先對(duì)光電探測(cè)器輸出的多普勒信

20、號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器得到離散的的多普勒信號(hào)序列，最后利用DSPs對(duì)信號(hào)序列進(jìn)行運(yùn)算處理，提取多普勒信號(hào)頻率。這種方法與現(xiàn)有的各種模擬信號(hào)處理方法相比具有更好的穩(wěn)定性和抗干擾性;其系統(tǒng)可以在通用計(jì)算機(jī)上開發(fā)，實(shí)現(xiàn)容易，成本低，而且數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算可以方便地根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改(通常只要改變程序，或?qū)拇嫫髦匦录虞d即可實(shí)現(xiàn));另外，數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算單純地基于加法和乘法，這使得它具有穩(wěn)定的處理性能。在采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的LDV系統(tǒng)中，多普勒信號(hào)的處理至關(guān)重要。這是因?yàn)長(zhǎng)DV系統(tǒng)中的光電探測(cè)器接收的是粒子散射光，其強(qiáng)度本身就比較微弱，而且信號(hào)還受到諸如光路系統(tǒng)、雜散光、光檢測(cè)器件噪聲、

21、散射粒子尺寸和位置分布以及粒子濃度等因素的影響。這就造成了激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)的光電信號(hào)具有信號(hào)弱、噪聲干擾大的特點(diǎn)，還伴有信號(hào)脫落(即信號(hào)不連續(xù))現(xiàn)象。并且多普勒信號(hào)的頻率一般都較高，通常在KHz的量級(jí)上，當(dāng)流速較高時(shí)達(dá)到幾十兆赫茲，甚至上百兆赫茲(如運(yùn)用于高速風(fēng)洞的測(cè)量)。當(dāng)運(yùn)用于湍流流場(chǎng)的測(cè)量時(shí)，信號(hào)頻率還會(huì)有較大范圍的波動(dòng)。要從質(zhì)量這么差的高頻信號(hào)中盡可能地提取我們所需的信息，同時(shí)必須滿足實(shí)時(shí)性、精度、測(cè)速范圍的要求，這對(duì)LDV系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程無(wú)疑提出了很高的要求。努力改進(jìn)LDV系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)，優(yōu)化多普勒信號(hào)處理方法，將數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)運(yùn)用于多普勒信號(hào)的分析處理，將有助于提高LD

22、V測(cè)速系統(tǒng)的性能，為相關(guān)學(xué)科的發(fā)展提供強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)技術(shù)支持;同時(shí)研究多普勒信號(hào)的處理方法也具有普遍意義，可以為其它類型信號(hào)的分析與處理提供參考和借鑒。1.2 現(xiàn)有LDV的原理和性能比較現(xiàn)有的激光多普勒測(cè)速儀種類較多，按照其工作原理可分為頻譜分析型、濾波器庫(kù)型、頻率跟蹤型和計(jì)數(shù)型。(1)頻譜分析型頻譜分析型激光多普勒測(cè)速儀是最早出現(xiàn)的LDV之一，其測(cè)量對(duì)象是多普勒信號(hào)的功率譜或與其等價(jià)的多普勒頻率的概率密度函數(shù)。它采用一中心頻率可調(diào)的窄帶帶通濾波器勻速掃過(guò)所研究的頻率范圍以分辨輸入信號(hào)的各種頻率分量并進(jìn)行顯示和記錄。頻譜分析是LDV用于診斷目的時(shí)最通用的方法。在不利的條件下，頻譜分析法對(duì)做初步測(cè)

23、量是非常有用的:在穩(wěn)定流動(dòng)中，即使非常差的信號(hào)質(zhì)量或者非常不連續(xù)的信號(hào)也可以實(shí)現(xiàn)頻譜記錄。其工作頻率范圍很寬，最高可達(dá)100MHz。同時(shí)它也具有幾個(gè)主要缺點(diǎn):因?yàn)樵谡l帶外面的所有信號(hào)都去掉了，所以這種方法不能充分地利用有用的信號(hào);要獲得由許多粒子信號(hào)所構(gòu)成的可靠頻譜需要很長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間，因此頻譜分析法不能給出瞬時(shí)速度的實(shí)時(shí)記錄;以模擬形式來(lái)處理頻譜既緩慢又麻煩。(2)濾波器庫(kù)型濾波器庫(kù)型激光多普勒測(cè)速儀的工作原理與頻譜分析型相同，不過(guò)濾波器庫(kù)使用的不是單個(gè)濾波器，而是調(diào)諧在量程中不同頻率上的許多并行濾波器，所以多普勒頻譜的建立時(shí)間就要快得多。濾波器庫(kù)法比頻譜分析法更有效，因?yàn)樗写嬖诘亩嗥绽招?/p>

24、號(hào)都能同時(shí)影響濾波器庫(kù)的輸出。它具有比其他方法好得多的信噪比，在處理質(zhì)量差的間斷多普勒信號(hào)時(shí)極其有效。但是由于實(shí)際上我們只能采用有限個(gè)濾波器，它的分辨率比較粗，因而只適合于高湍流流動(dòng)而不適合于精確測(cè)量。并且由于濾波器頻率的固定分布，它對(duì)于頻譜分布不寬的低湍流度測(cè)量并不合算。(3)頻率跟蹤型頻率跟蹤型激光多普勒測(cè)速儀是一臺(tái)帶有頻率負(fù)反饋系統(tǒng)的解調(diào)器。它可以自動(dòng)跟蹤頻率調(diào)制信號(hào)，并且把信號(hào)頻率變?yōu)槟M電壓，把調(diào)制信號(hào)的頻率變?yōu)槟M電壓的變化頻率，得到一個(gè)始終正比于所測(cè)流體速度的模擬信號(hào)。頻率跟蹤型激光多普勒測(cè)速儀最大的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)時(shí)性很好，可以得到正比于瞬時(shí)速度的實(shí)時(shí)信息，與頻譜分析儀相比，其數(shù)據(jù)的

25、獲得和處理要快得多。但是頻率跟蹤器要求輸入信號(hào)必須是連續(xù)的，這就必須保證流體中具有較高的粒子濃度，除非機(jī)內(nèi)有良好的脫落保護(hù);另外它能測(cè)量的最大湍流強(qiáng)度受動(dòng)態(tài)響應(yīng)、跟蹤范圍和轉(zhuǎn)換速率的限制;對(duì)于大多數(shù)跟蹤器來(lái)說(shuō)，最大的瞬時(shí)多普勒頻率為20MHz或略低一些，隨著信噪比降低性能變壞，并且有可能跟蹤假信號(hào)。(4)計(jì)數(shù)型計(jì)數(shù)型激光多普勒測(cè)速儀是一種計(jì)時(shí)裝置。它的主要工作是測(cè)量規(guī)定數(shù)目的多普勒信號(hào)周期所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是粒子穿越測(cè)量區(qū)域中同樣數(shù)目的條紋所需的時(shí)間，利用快速數(shù)字電子裝置就可以得到多普勒信號(hào)頻率和對(duì)應(yīng)的粒子瞬時(shí)速度。計(jì)數(shù)型激光多普勒測(cè)速儀的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用非常經(jīng)濟(jì);適用于粒子稀少的流動(dòng)場(chǎng)

26、合，即使多普勒信號(hào)不連續(xù)也能快速地得到瞬時(shí)速度信息;此外，它是一種時(shí)域的處理方式，沒有儀器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題，也沒有粒子有限渡越時(shí)間加寬的影響，因而可以達(dá)到較高的時(shí)間分辨率;但計(jì)數(shù)法對(duì)于噪聲非常敏感，不適于噪聲較強(qiáng)的情況。表1-1 各種LDV性能比較LDV信號(hào)處理器跟隨速度脈動(dòng)的能力工作于非常間斷的信號(hào)從噪聲提取信號(hào)的分辨力典型精度%能處理的最大頻率MHz頻譜分析儀差行好（在一定時(shí)間內(nèi)）1100濾波器庫(kù)信號(hào)處理器好行很好2-5100頻率跟蹤器好不行好0.515計(jì)數(shù)式信號(hào)處理器好行尚好0.5100表1-1對(duì)以上各種LDV性能進(jìn)行了總結(jié)，可以看出，現(xiàn)有的LDV種類雖多，但沒有哪一種方法能適用于所有的情

27、況。同時(shí)，對(duì)于模擬信號(hào)處理手段而言，它們?cè)谶M(jìn)行復(fù)雜信號(hào)處理時(shí)只有有限的能力，從而造成處理的不靈活性和系統(tǒng)時(shí)間的復(fù)雜性。對(duì)于不同的信號(hào)，一個(gè)特定的模擬信號(hào)處理系統(tǒng)往往不能都獲得滿意的效果。1.3 本文的主要內(nèi)容本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理、適用范圍進(jìn)行分析比較，提出了一種新型數(shù)字信號(hào)處理式激光多普勒測(cè)速儀的設(shè)計(jì)方案。介紹了該方案的硬件實(shí)現(xiàn)、軟件算法。具體來(lái)說(shuō)，本文所做的工作包括:(1)參考已有的激光多普勒測(cè)速儀光路系統(tǒng)，對(duì)傳統(tǒng)的差動(dòng)式光路進(jìn)行改良，提出了一種新的光路設(shè)計(jì)方案:一維偏振差動(dòng)式光路。該光路不僅可以實(shí)現(xiàn)多普勒基座信號(hào)的光學(xué)濾波，而且具有良好的對(duì)偶消噪性能。(2)在信號(hào)處

28、理方面采用了以FFT為基礎(chǔ)的周期圖法和峰值頻率逼近算法。首先對(duì)采所得的多普勒信號(hào)序列加窗，然后進(jìn)行FFT變換，求出該信號(hào)的功率譜估計(jì)。在功率譜估計(jì)的基礎(chǔ)上采用峰值頻率逼近算法求出多普勒信號(hào)的頻率。最后利用公式(2.10)求出頻率對(duì)應(yīng)的流速。這種算法易于實(shí)現(xiàn)、計(jì)算量小，很好地滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求。在信號(hào)處理程序中根據(jù)水流速度對(duì)AD轉(zhuǎn)換器的采樣率進(jìn)行了分段設(shè)置，這在很大程度上減輕了數(shù)據(jù)采集卡的存儲(chǔ)量和運(yùn)算量。(3)給出了基于DSP的多普勒信號(hào)采集卡設(shè)計(jì)方案。其中包括前向通道部分、數(shù)據(jù)采集卡與主機(jī)通信部分和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分。前向通道為全差分結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的抗干擾性能并可手動(dòng)調(diào)節(jié)信號(hào)增益。采集卡與主機(jī)的

29、數(shù)據(jù)傳輸由PCI總線接口芯片PCI9052完成，不僅解決了高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問(wèn)題，而且不會(huì)造成資源的浪費(fèi)。在硬件編程方面采用仿真模式下的在線編程方法實(shí)現(xiàn)TMS320C6713的外部EEPROM寫入，這種方法省去了使用編程器反復(fù)擦寫的繁瑣過(guò)程。2激光多普勒測(cè)速儀測(cè)量原理2.1 LDV測(cè)速原理的實(shí)現(xiàn)2.1.1 光的多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)是LDV測(cè)速方法實(shí)現(xiàn)的理論基石。任何形式的波的傳播，由于波源、接收器、傳播介質(zhì)或中間反射器或散射體的運(yùn)動(dòng)，會(huì)使波的頻率發(fā)生變化，奧地利科學(xué)家多普勒(Doppler)于1842年首次研究了這個(gè)現(xiàn)象:當(dāng)觀察者向著聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，他所接收到的聲波會(huì)較他在不動(dòng)的情況下來(lái)的頻繁，因

30、此，聽到的是較高的聲調(diào);相反的，如果觀察者背著聲源運(yùn)動(dòng)，聽到的音調(diào)就較低;假如聲源運(yùn)動(dòng)而觀察者不動(dòng)，其效應(yīng)也相同，這就是多普勒現(xiàn)象。后來(lái)就把這種頻率變化稱作為多普勒頻移。愛因斯坦1905年在他的狹義相對(duì)論中指出，光波也具有類似的多普勒效應(yīng)。只要物體會(huì)散射光線，就可以利用多普勒效應(yīng)來(lái)測(cè)量其速度。1964年Yeh和Cummins首次觀察到了水流中粒子的散射光頻移，證實(shí)了可利用多普勒頻移技術(shù)來(lái)確定流動(dòng)速度。靜止的觀察者圖2-1 運(yùn)動(dòng)光源產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)如圖2-1所示，我們考慮一個(gè)以速度運(yùn)動(dòng)的光源，其光波的傳播方向?yàn)榱?，光源原本與觀察者的距離為，當(dāng)光源運(yùn)動(dòng)時(shí)，光波從光源到觀察者的空間距離被壓縮到。那么

31、靜止觀察者所記錄到的光源的波長(zhǎng)就變?yōu)? （2-1）對(duì)應(yīng)的頻率為: （2-2）其中v為光波的原始頻率，c為光速。考慮到光傳播速度遠(yuǎn)大于光源運(yùn)動(dòng)速度，則得出頻移量近似為: (2-3)當(dāng)光源靜止而觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于觀察者本身的運(yùn)動(dòng)使它越過(guò)波前比光源發(fā)射的光波前多或少，如圖2.2所示，我們觀察到光波的頻率為: (2-4)其中為觀察者運(yùn)動(dòng)的速度矢量，為光波傳播的方向。由此引起的頻移為:觀察者的速度圖2.2 運(yùn)動(dòng)光源產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，我們更為關(guān)心的是運(yùn)動(dòng)物體所散射的光的頻移，此時(shí)光源和觀察者是相對(duì)靜止的。我們可以把這種情況看作是一個(gè)雙重多普勒頻移來(lái)考慮，即運(yùn)動(dòng)物體接收從靜止光源發(fā)出的光波又重新

32、發(fā)射給一個(gè)靜止的觀察者，這可以看成是前面兩種情況的綜合。運(yùn)動(dòng)物體所接收到的靜止光源的光波頻率可由式(2-2)給定。由于運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于接收者是運(yùn)動(dòng)的，當(dāng)光從運(yùn)動(dòng)物體反射到接收者時(shí)，光波的頻率再次經(jīng)多普勒頻移，故得到的最終頻率為: (2-5)式中，為運(yùn)動(dòng)物體的速度矢量，是沿靜止光源到運(yùn)動(dòng)物體方向上的單位向量，是沿運(yùn)動(dòng)物體到靜止接收者方向上的單位向量。于是可以得到的總的頻移為: (2-6)2.1.2 差動(dòng)式LDV激光多普勒測(cè)速儀的速度測(cè)量正是基于上一部分的理論實(shí)現(xiàn)的。在LDV系統(tǒng)中，激光器作為光源，懸浮在流體中的粒子對(duì)入射激光束進(jìn)行散射，因此可以把這些粒子看成是運(yùn)動(dòng)的光波接收者和傳送者。根據(jù)式(2.

33、6)可知，只要檢測(cè)出經(jīng)頻移后的散射光波頻率，就可以得到粒子速度。如果示蹤粒子體積等參數(shù)選取得當(dāng)，則其速度就可近似認(rèn)為是流體的速度。但是直接用光檢測(cè)器來(lái)探測(cè)運(yùn)動(dòng)粒子的散射光波頻率是行不通的，這是因?yàn)槭艿狡骷憫?yīng)時(shí)間的限制，現(xiàn)有檢測(cè)器不可能檢測(cè)出光波的頻率，所以在實(shí)際運(yùn)用時(shí)必須采用特殊的光路設(shè)計(jì)使接收到的光波頻率在光檢測(cè)器響應(yīng)能力范圍之內(nèi)。目前使用最廣的是差動(dòng)LDV，它是1974年由Durst和Stevenson首次提出的，在此我們以差動(dòng)多普勒光路布置來(lái)說(shuō)明LDV測(cè)速原理的實(shí)現(xiàn)。差動(dòng)LDV是利用散射光的多普勒效應(yīng)，經(jīng)過(guò)光混合求得散射光的多普勒頻差，最后確定流體速度的技術(shù)。如圖2-3是差動(dòng)LDV系統(tǒng)

34、的光路簡(jiǎn)圖:兩束具有平面波前的相干激光(在兩束高斯光束的光腰區(qū)域可以認(rèn)為是這種情況)在空間相交成2角，其相交區(qū)域形成測(cè)量區(qū)域，即差動(dòng)LDV測(cè)速系統(tǒng)的探頭.將測(cè)量區(qū)域置于流體中的側(cè)速點(diǎn)，流體中存在著人為施放或本身含有的微小粒子。當(dāng)粒子穿過(guò)測(cè)量區(qū)域時(shí)就會(huì)對(duì)兩束光中的每一束進(jìn)行散射。利用光學(xué)器件接收這些散射光，在光電檢測(cè)器的陰極進(jìn)行混合。通過(guò)LDV信號(hào)處理器求出該光電信號(hào)的頻率就可以得到被測(cè)點(diǎn)的流速。圖2-3 差動(dòng)多普勒鍘速系統(tǒng)光路簡(jiǎn)圖粒子穿越測(cè)量區(qū)域時(shí)會(huì)對(duì)兩束激光中的每一束進(jìn)行散射，根據(jù)多普勒效應(yīng)原理，經(jīng)過(guò)頻移后的兩束散射光的頻率可由下面的關(guān)系式得到: (2-7) (2-8)其中，分別為兩束激光的

35、光傳播方向，為粒子速度，為運(yùn)動(dòng)物體到靜止接收者方向上的單位向量，為激光頻率。這兩束不同角度的散射光將會(huì)產(chǎn)生干涉，進(jìn)行光學(xué)混頻，從而形成一個(gè)差拍信號(hào)，差拍信號(hào)的頻率由兩個(gè)頻率之差給定。當(dāng)粒子速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，此頻差可近似為: (2-9)這個(gè)頻率是可以為現(xiàn)有的光電檢測(cè)器所檢測(cè)到的。按圖2-3(b)的符號(hào)把式(2-9)寫成標(biāo)量形式，得: (2-10)上述兩個(gè)式子就是一維差動(dòng)多普勒測(cè)速公式。其中為在方向上的速度分量的大小，角是雙光束夾角的半角，是入射光的波長(zhǎng)。對(duì)一個(gè)確定的光路，是一定值，稱為差動(dòng)式LDV測(cè)速系統(tǒng)的光路常數(shù)。從式(2-10)可以看出，在差動(dòng)LDV里多普勒頻差只和入射光的方向、波長(zhǎng)、粒子運(yùn)

36、動(dòng)速度有關(guān)，并且多普勒頻差與粒子速度保持線性關(guān)系。只要求出即可求得測(cè)點(diǎn)的流速。2.2 多普勒信號(hào)的條紋模型1974年Rudd提出了差動(dòng)多普勒信號(hào)的干涉條紋解釋，利用干涉條紋模型可以很容易地理解差動(dòng)多普勒系統(tǒng)的工作情況，并且很好的推導(dǎo)出差動(dòng)多普勒信號(hào)的數(shù)學(xué)模型。 圖2.4 相交光束干涉條紋條紋干涉模型將激光多普勒信號(hào)看成是由一組干涉條紋產(chǎn)生的。在差動(dòng)多普勒系統(tǒng)中，兩束模激光在光腰區(qū)相交形成測(cè)量區(qū)域，通過(guò)光學(xué)知識(shí)我們可以分析得出測(cè)量區(qū)域的形狀為一個(gè)橢球，其中分布著明暗相間的干涉條紋，條紋間距可用以下公式表示: (2-11)也就是差動(dòng)式LDV測(cè)速系統(tǒng)的光路常數(shù)。當(dāng)示蹤粒子以速度廳通過(guò)測(cè)量區(qū)域時(shí)，粒子

37、將穿過(guò)這些平行的干涉條紋，在亮條紋區(qū)時(shí)，粒子散射的光多，在暗條紋區(qū)時(shí)，粒子散射的光少。因此，如果用一個(gè)光探測(cè)器來(lái)接收這些散射光，所接收到的光強(qiáng)將按粒子穿過(guò)這些條紋的速度波動(dòng)，也就是以粒子切割條紋的頻率對(duì)光信號(hào)進(jìn)行了調(diào)制，此頻率為: (2-12)其中各參數(shù)的定義同式(2.10)。這個(gè)頻率即為差動(dòng)多普勒頻率，它與式(2-10)表示的一維差動(dòng)多普勒測(cè)速公式相同。由于用于多普勒測(cè)速的大多數(shù)激光器是非常近似地工作在 (橫向磁場(chǎng))模式的理想激光器，這種模式的激光束在光腰部位的相位波陣面可以看作是一平面波，且其強(qiáng)度符合高斯分布。光的這種分布可以用光束中心的最大強(qiáng)度和光束半徑來(lái)表示，是從光束中心到光強(qiáng)為點(diǎn)的距

38、離。在光平面內(nèi)光強(qiáng)為半徑的函數(shù)，可以表示為: (2-23)此式所表示的光強(qiáng)分布如圖2-5(a)所示。測(cè)量區(qū)域中的各涉條紋的光強(qiáng)也符合高斯分布。（a）高斯光強(qiáng)分布（b）干涉條紋的光強(qiáng)分布圖2-5 測(cè)量區(qū)域的光強(qiáng)分布由于多普勒信號(hào)是由粒子切割條紋，并散射條紋的光而產(chǎn)生的，因此信號(hào)的強(qiáng)度也將發(fā)生變化，即信號(hào)光強(qiáng)在受到頻率調(diào)制的同時(shí)還受到了幅度調(diào)制。那么綜合來(lái)看，單個(gè)粒子穿越測(cè)量區(qū)域所產(chǎn)生的信號(hào)其幅度包絡(luò)對(duì)應(yīng)于測(cè)量區(qū)域光強(qiáng)的高斯分布，而光強(qiáng)變化的頻率則對(duì)應(yīng)于粒子切割條紋的頻率，如圖2-5(b)所示。由此可以得到單個(gè)粒子信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為: (2-14)其中A是粒子的信號(hào)幅值: 為粒子到達(dá)測(cè)量區(qū)域中心線

39、的時(shí)間: 為激光多普勒頻移; ，粒子穿過(guò)測(cè)量區(qū)域的有限渡越時(shí)間，即信號(hào)閃爍持續(xù)的時(shí)間，為測(cè)量區(qū)域積中的干涉條紋數(shù)。2.3 差動(dòng)LDV技術(shù)的改進(jìn)2.3.1 方向的鑒別速度方向的鑒別是LDV中的一個(gè)基本問(wèn)題。從式(2-9)可以看出:多普勒差頻是兩個(gè)頻率之差，不可能知道哪個(gè)頻率較高，因此速度方向的變化對(duì)產(chǎn)生的頻率沒有差別。在某些應(yīng)用中流動(dòng)的方向是知道的，而且總是相同的。但是在許多LDV技術(shù)最有用的場(chǎng)合，如回流區(qū)和脈動(dòng)流區(qū)中包含著反向速度。Durst和Zare于1974年指出了這一事實(shí)，并且在假想的流動(dòng)情況下簡(jiǎn)要的說(shuō)明了由于方向模糊性而產(chǎn)生的誤差。對(duì)于一維湍流流動(dòng)，它的概率密度為，則流動(dòng)的平均速度和均

40、方脈動(dòng)可以用以下公式計(jì)算: (2-15)當(dāng)存在方向二義性時(shí)，在數(shù)值處理時(shí)將把負(fù)向速度和正向速度值認(rèn)為是等同的。這樣，同樣的流動(dòng)所測(cè)得概率密度變?yōu)榱? (2-16)由此計(jì)算得來(lái)的概率密度存在著誤差，且誤差將隨湍流度的增加而快速上升。那么由速度概率密度計(jì)算出來(lái)的平均速度和均方脈動(dòng)值必然與實(shí)際情況存在出入，并且可能相差很大。所以方向的鑒別是必不可少的。圖2-6 引入光線平移后的干涉條紋最常用的辦法是利用光線頻移技術(shù)，使兩束相交激光之間產(chǎn)生頻率差，這樣可在測(cè)量區(qū)域中得到一組運(yùn)動(dòng)的干涉條紋，如圖2-6所示，干涉條紋的運(yùn)動(dòng)速度為: (2-17)測(cè)量區(qū)域中一個(gè)靜止的粒子產(chǎn)生的信號(hào)頻率等于。粒子運(yùn)動(dòng)方向與條紋

41、運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)信號(hào)頻率變低，相反時(shí)頻率變高。此時(shí)差動(dòng)多普勒技術(shù)得到的信號(hào)表達(dá)式為: (2-18)采用旋轉(zhuǎn)衍射光柵、聲-光技術(shù)、電-光技術(shù)等都可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻移。目前使用最多的是專門為激光多普勒測(cè)速儀設(shè)計(jì)的頻移器，它結(jié)合了多種頻移技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，頻移量可以根據(jù)使用環(huán)境方便地調(diào)節(jié)，使后續(xù)信號(hào)處理器獲得最佳的輸入信號(hào)頻率。2.3.2 消除基座信號(hào)在上面的部分中討論了單個(gè)粒子穿越測(cè)量區(qū)域時(shí)所產(chǎn)生的信號(hào)的情況，然而在實(shí)際情況下，入射的激光束也存在于流體中，那么就存在這樣的情況:有部分粒子會(huì)穿過(guò)光束，產(chǎn)生一個(gè)散射光信號(hào)，這個(gè)散射光信號(hào)稱為基座信號(hào)。由于入射激光束光截面強(qiáng)度為高斯分布，所以信號(hào)基座幅度也為按高斯分

42、布，且是個(gè)低頻信號(hào)?；盘?hào)與差動(dòng)多普勒信號(hào)同時(shí)存在，并疊加在多普勒信號(hào)上為光檢測(cè)器共同接收，如圖2-7實(shí)際上光檢測(cè)器所得的信號(hào)表達(dá)式為: (2-19)這是我們所不希望的，因而在對(duì)多普勒信號(hào)進(jìn)行處理前必須把基座信號(hào)和我們所需的多普勒信號(hào)分開。圖2-7 基座信號(hào)與差動(dòng)多普勒信號(hào)的疊加通常情況下，基座信號(hào)的頻率位于多普勒信號(hào)頻帶之外，我們可以利用高通濾波器將多普勒信號(hào)和基座信號(hào)分開。但是，當(dāng)平均速度趨于零或湍流度增大時(shí)要確定高通濾波器的截止頻率，使其去除基座信號(hào)就變得困難了。尤其是實(shí)際的濾波器都具有有限陡度，濾掉較低頻率的多普勒信號(hào)的可能性增加了。傳統(tǒng)的差動(dòng)多普勒測(cè)速儀通常采用光學(xué)頻移來(lái)解決這一問(wèn)

43、題。光學(xué)頻移利用光線頻移技術(shù)使得兩束相交激光具有一定的頻差，這樣可以提高多普勒頻率而不改變基座信號(hào)的.頻率，高通濾波器的截至頻率也就不會(huì)達(dá)到臨界，如圖2-8所示。但是，當(dāng)需要測(cè)量流體中的不同部位時(shí)，要用不同的頻率量程測(cè)對(duì)應(yīng)的多普勒信號(hào)，這就必須在每次測(cè)量時(shí)對(duì)高通濾波器的截止頻率進(jìn)行調(diào)整。這必然增加了多普勒信號(hào)處理器的復(fù)雜度，使測(cè)速工作變得繁瑣。Bossel、Hiller和Meier于1972年首次采用偏振差動(dòng)式光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了基座消除，成功的解決了這一問(wèn)題，圖2-9給出了該系統(tǒng)消除基座信號(hào)的光路圖。圖2-8 頻移消除基座譜的影響圖2-9 改進(jìn)的差動(dòng)多普勒測(cè)速系統(tǒng)光路簡(jiǎn)圖涯拉斯通棱鏡是一種雙折射棱

44、鏡，它可以將一束入射光分解為偏振方向互相垂直的兩束。當(dāng)入射光的振動(dòng)方向垂直于入射面時(shí)折射光只有尋常光;入射光的振動(dòng)方向在入射面內(nèi)時(shí)折射光只有非常光;入射光的振動(dòng)方向?yàn)樾毕驎r(shí)，雙折射的兩束光強(qiáng)度按振幅分解來(lái)計(jì)算。一束入射激光經(jīng)過(guò)涯拉斯通棱鏡后得到兩束分開的，偏振面互相垂直的線偏振光。兩束線偏振光相交后其測(cè)量區(qū)域里沒有明暗相間的干涉條紋，但偏振態(tài)將按照普通條紋間距的周期而循環(huán)變化。如果光束的偏振方向是水平和垂直的，橫穿測(cè)量區(qū)域偏振態(tài)將以這樣的方式變化:從與垂直方向成45度的線偏振經(jīng)過(guò)圓偏振變到與水平方向成45度的線偏振，再返回到原偏振態(tài)。這樣，假如散射光的偏振方向保持不變，從穿越測(cè)量區(qū)域的粒子接收

45、到的光的偏振態(tài)將以同樣的方式變化。散射光被聚焦到第二棱鏡上，它的主軸置于入射光的偏振平面中。由收集透鏡和第二棱鏡所形成的兩個(gè)焦點(diǎn)被引導(dǎo)到雙光電器件上。每個(gè)光電器件得到的信號(hào)頻率相同，但相位相差180度。將這兩個(gè)信號(hào)通過(guò)差分放大器就可以得到一個(gè)對(duì)稱的正弦信號(hào)，它具有正確的多普勒頻率，這樣就消除了信號(hào)基座。如果粒子穿越只有一束光照射的區(qū)域，散射光的偏振方向或是垂直的，或是水平的，兩只光電檢測(cè)器的響應(yīng)相同，沒有差動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生。假定該系統(tǒng)是調(diào)整好了的，兩個(gè)光電器件產(chǎn)生的信號(hào)能用下面的方程加以描述: (2-20) (2-21)上式表明信號(hào)的相減消除了基座。從光學(xué)上消除基座信號(hào)比用頻移和高通濾波器來(lái)得好，它

46、不會(huì)有多普勒信號(hào)損失和信號(hào)強(qiáng)度損失，同時(shí)也可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化多普勒信號(hào)處理器的硬件結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，這種改進(jìn)決定于能否嚴(yán)格保持散射光的偏振方向。任何非偏振都會(huì)降低兩個(gè)光電器件信號(hào)之間的差。完全的非偏振，象固體表面時(shí)常發(fā)生的散射會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生損失。有幸的是用于激光多普勒研究的微米量級(jí)的粒子非偏振程度不是很嚴(yán)重，在消除與基座有關(guān)的誤差時(shí)通常是很有用的。2.4 多普勒信號(hào)的特點(diǎn)對(duì)多普勒信號(hào)進(jìn)行處理之前必須充分了解其特性。根據(jù)本課題采用的光路系統(tǒng)，雙光電二極管的輸出具有如圖2-10所示的波形，由于采用了光學(xué)濾波，信號(hào)中不含基座成分。從圖2-10可見:多普勒信號(hào)是一個(gè)調(diào)幅信號(hào)，它的幅度隨時(shí)間變化，其包絡(luò)的形成主要是

47、因?yàn)榧す夤馐鴱?qiáng)度按高斯分布引起的。兩束光在被測(cè)流體的測(cè)量點(diǎn)會(huì)聚后測(cè)量區(qū)的干涉條紋亮度是不均勻的，中間最亮，越靠邊緣越暗。粒子通過(guò)測(cè)量區(qū)域時(shí)散射光強(qiáng)也是中間強(qiáng)、兩端弱。圖2-10 多普勒信號(hào)波形圖2-10給出的多普勒信號(hào)只是表示單一粒子在較理想情況下穿越測(cè)量區(qū)域時(shí)得到的光電流信號(hào)。實(shí)際上，測(cè)量區(qū)內(nèi)有時(shí)沒有粒子通過(guò)，有時(shí)又有多個(gè)粒子存在，各個(gè)粒子穿過(guò)測(cè)量區(qū)的位置又不相同，所以，多普勒信號(hào)是非常復(fù)雜的。這一信號(hào)不同于一般光學(xué)儀器中的光電信號(hào)。歸納起來(lái)，多普勒信號(hào)具有下列幾個(gè)特點(diǎn):(1)多普勒信號(hào)的頻率很高，通常在幾千到幾兆赫茲之間。(2)它是一連串的包絡(luò)波。包絡(luò)中的信號(hào)為多普勒信號(hào)。在湍流流體中，由

48、于粒子的速度變化，這一信號(hào)又是頻率調(diào)制的。(3)它是不連續(xù)的，有時(shí)出現(xiàn)一個(gè)包絡(luò)，有時(shí)沒有信號(hào)。在出現(xiàn)的信號(hào)中，它們的包絡(luò)幅度及包絡(luò)中包含的信號(hào)周期數(shù)基本上都不一樣。這依賴于流體中散射粒子的大小、濃度，以及通過(guò)測(cè)量區(qū)域時(shí)所在的部位。(4)在以上所述各式各樣的信號(hào)中，還疊加有來(lái)自激光源、光路、雙光電二極管等的噪音。(5)多普勒信號(hào)的信噪比隨測(cè)量對(duì)象而變化，速度越高，信噪比越低。(6)多普勒信號(hào)的頻譜具有一定的帶寬，稱為頻譜加寬。產(chǎn)生頻譜加寬的原因通常有以下幾種:粒子通過(guò)測(cè)量區(qū)域時(shí)具有有限渡越時(shí)間;粒子在測(cè)量區(qū)域中通過(guò)時(shí)的速度脈動(dòng)和測(cè)量區(qū)域中存在著速度梯度;信號(hào)處理器本身的帶寬、分辨率等性能造成的儀

49、器加寬?？梢姡捎脭?shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)激光多普勒信號(hào)進(jìn)行分析是具有一定難度的，它在實(shí)時(shí)性和可靠性方面對(duì)信號(hào)處理器的軟硬件實(shí)現(xiàn)提出了很高的要求。2.5 課題所采用的光路系統(tǒng)根據(jù)以上各部分的內(nèi)容，并參考已有的差動(dòng)LDV光路系統(tǒng)，本課題采用了如圖2-12所示的光路。該光路為一維偏振差動(dòng)式，由激光器、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)三部分組成。其接收系統(tǒng)為前向散射式，即接收系統(tǒng)正對(duì)著發(fā)射系統(tǒng)，流場(chǎng)置于接收與發(fā)射之間。所謂前向散射是指散射光方向與入射光方向相同，反之則稱為后向散射。根據(jù)G.Mie的散射理論，散射光的強(qiáng)度與方向有關(guān)，前向散射時(shí)強(qiáng)度最大，后向散射時(shí)為前向散射的幾百分之一。在前向散射方向上，散射光的偏振方向與

50、入射光是一致的。(1)激光器激光器為氮氖激光器，可以產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的模激光。其功率為15mw，波長(zhǎng)為632.8nm。(2)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射系統(tǒng)由準(zhǔn)直器、分光器、擴(kuò)束器、頻移器和聚焦透鏡組成。準(zhǔn)直器為一組凹凸透鏡之間距離可調(diào)的共焦透鏡組，用來(lái)改變光腰(光束最細(xì)處)在軸向的位置，使得兩束激光在光腰處相交。如果兩束激光不在光腰處相交，測(cè)量區(qū)域內(nèi)的偏振態(tài)分布將發(fā)生彎曲。當(dāng)散射粒子穿過(guò)測(cè)量區(qū)域內(nèi)的不同部位時(shí)，由于偏振態(tài)分布不同，測(cè)得的速度也將不同。圖2-11 分光器簡(jiǎn)圖分光器用來(lái)將入射光分為強(qiáng)度相等、互相平行的兩束。為了得到良好的偏振態(tài)分布，分光器必須為等光程分光。本課題選用的是由渥拉斯通棱鏡和透鏡組成的偏振

51、分光器，如圖2-11所示。擴(kuò)束器的作用是增大光束直徑，減小光束發(fā)射角，改善光束的聚焦特性。對(duì)于高斯光束，增大光束直徑可以減小測(cè)量區(qū)域積，提高空間分辨率。頻移器用來(lái)鑒別粒子運(yùn)動(dòng)方向。聚焦透鏡可以提高光束相交區(qū)的入射光功率，減小相交區(qū)尺寸。(3)接收系統(tǒng)接收系統(tǒng)包括成像透鏡、小孔光欄、渥拉斯通棱鏡、雙光電二極管。成像透鏡的作用是收集帶有多普勒頻移的散射光信號(hào)，使它良好地在握拉斯通棱鏡上成像。為了盡可能多的收集散射光信號(hào)，應(yīng)適當(dāng)加大成像透鏡的有效通光口徑。小孔光闌的作用是使測(cè)量區(qū)域通過(guò)聚焦透鏡所成的像準(zhǔn)確的通過(guò)，防止測(cè)量區(qū)域邊緣或測(cè)量區(qū)域以外的光線到達(dá)渥拉斯通棱鏡。渥拉斯通棱鏡和雙光電二極管則共同完

52、成多普勒基座信號(hào)的消除。由于多普勒閃爍信號(hào)光強(qiáng)很弱，普通光電二極管產(chǎn)生的電信號(hào)十分微弱，要獲得帶寬足夠的低噪聲放大是一個(gè)問(wèn)題。這里采用“雪崩”型光電二極管，它兼有光電倍增管和光電二極管的優(yōu)點(diǎn)。值得指出的是雙光電二極管輸出信號(hào)的信噪比取決于雙光束的相對(duì)強(qiáng)度、激光器功率、粒子尺寸與光路常數(shù)比，以及光路系統(tǒng)的調(diào)準(zhǔn)等因素。當(dāng)信噪比較大時(shí)信號(hào)處理器的復(fù)雜程度和花費(fèi)都有所減少。所以，在設(shè)計(jì)光路系統(tǒng)時(shí)要遵循以下原則:選擇合適的激光器功率，使其功率大小與所測(cè)流體的速度成正比;保證雙光束的強(qiáng)度相等;粒子尺寸與光路常數(shù)比選在一比四的量級(jí);此外，還必須保證光路系統(tǒng)已經(jīng)得到了正確的調(diào)準(zhǔn)。圖2-12 一維偏振差動(dòng)式激光

53、測(cè)速儀光路系統(tǒng)3 基于DSP芯片的激光多普勒測(cè)速儀設(shè)計(jì)3.1 整體硬件結(jié)構(gòu)框圖多普勒信號(hào)采集卡按功能可分為四個(gè)部分:中央處理單元、前向通道、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分、主機(jī)通信部分。圖3-1是多普勒信號(hào)采集卡的總體框圖: 圖3-1 整體硬件結(jié)構(gòu)框圖從雙光電二極管輸出的差分信號(hào)首先必須經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的放大和濾波才能輸入AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換。信號(hào)調(diào)理電路主要采用全差分器件構(gòu)成，后續(xù)的AD轉(zhuǎn)換器也具有差分輸入，這樣可以有效抑制信號(hào)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的共模噪聲，提高信噪比。TMS320C6713為中央處理單元，它的工作包括:讀取AD轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字信號(hào);對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算，提取信號(hào)包絡(luò)對(duì)應(yīng)的多普勒頻移，并計(jì)算相應(yīng)的水流

54、速度;最后將計(jì)算所得的水流速度存入外擴(kuò)SDRAM中供主機(jī)使用。此外，程序還可以改變TMS320C6713中的PLL(鎖相環(huán)時(shí)鐘發(fā)生電路)控制寄存器值，調(diào)整AD轉(zhuǎn)換器的工作頻率，使其能按照流速的大小分段設(shè)置采樣頻率。FLASH用來(lái)存儲(chǔ)多普勒信號(hào)處理的主程序。主機(jī)負(fù)責(zé)讀取TMS320C6713外擴(kuò)SDRAM中的數(shù)據(jù)，計(jì)算水流平均速度、湍流度、速度概率分布等統(tǒng)計(jì)量。此外系統(tǒng)中還含有時(shí)鐘電路、看門狗復(fù)位電路、JTAG接口芯片等必須的組成部分。3.2 中央處理單元TMS320C6713是TI(德州儀器)公司新近推出的32位高性能浮點(diǎn)DSP芯片，其最高時(shí)鐘頻率為225MHz，最大處理能力為1800MIPS

55、(百萬(wàn)條指令/秒)或1350MFLOPS(百萬(wàn)次浮點(diǎn)操作/秒)。是迄今為止TI公司推出的DSP芯片中運(yùn)算能力最強(qiáng)的一款。其詳細(xì)性能可參考TI公司的TMS320C6713數(shù)據(jù)手冊(cè)。圖3-2給出了TMS320C6713的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。圖3-2 TMS320C6713的內(nèi)部結(jié)構(gòu)TMS320C6713的CPU結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。其中包括2個(gè)通用寄存器組(A和B)、8個(gè)功能單元(.L1、.L2、.S1、.S2、.Ml、.M2、.Dl和.D2)、2個(gè)存儲(chǔ)器裝載數(shù)據(jù)通道(LD1和LD2)、2個(gè)存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)通道(ST1和ST2)、2個(gè)數(shù)據(jù)尋址通道(DA1和DA2)、2個(gè)寄存器文件數(shù)據(jù)交叉通道(1X和2

56、X)。TMS320C6713CPU的第一個(gè)特征是采用了VILW結(jié)構(gòu)。從程序高速緩沖存儲(chǔ)器或取的指令總是8條，它們組成一個(gè)取指包。進(jìn)行必要的優(yōu)化后可以使盡可能多(最多為8條)的指令平行執(zhí)行，平行執(zhí)行的指令稱為一個(gè)執(zhí)行包。在一個(gè)取指包中執(zhí)行包的數(shù)目可在1到8之間改變。在一個(gè)指令周期內(nèi)，每個(gè)執(zhí)行包把指令調(diào)度給它們各自的功能單元。在所有的執(zhí)行包完成調(diào)度前不能獲取下一個(gè)取指包。解碼后，指令連續(xù)驅(qū)動(dòng)各自的功能單元，在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)最多可執(zhí)行8條指令。指令執(zhí)行結(jié)果產(chǎn)生的大部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在32位的寄存器中，也可以把數(shù)據(jù)劃分成子序列，存儲(chǔ)到8位或16位寄存器中，所有裝載和存儲(chǔ)指令都可以按8位、16位或32位地址執(zhí)

57、行。TMS320C6713CPU的第二個(gè)特征是每一個(gè)信號(hào)處理器中都含有2個(gè)數(shù)據(jù)通道。每個(gè)數(shù)據(jù)通道有4個(gè)功能單元(.L、.S、.M和.D)和一個(gè)寄存器組。每個(gè)寄存器組包含16個(gè)32位寄存器。2組功能單元和2個(gè)寄存器組分別組成CPU的A端與B端。CPU每一端的4個(gè)功能單元能夠獨(dú)立分享屬于同一端的16個(gè)寄存器。功能單元執(zhí)行邏輯、移位、乘法和數(shù)據(jù)地址操作。另外應(yīng)該注意到，每一端都有一條單數(shù)據(jù)總線連接到CPU另一端的所有寄存器，通過(guò)這條數(shù)據(jù)總線，兩端的功能單元都能夠從CPU另一端的寄存器組接入數(shù)據(jù)，使每個(gè)單元都能夠與CPU另外一端的寄存器交換數(shù)據(jù)。在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，交叉接入CPU的寄存器支持1次讀和寫操作。TMS320C6713CPU的第三